belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Анализ изменения внутреннего состояния тел шюит, как правило, вспомогательный характер: знание деформаций, например, позволяет определить силы и моменты. Термодинамика в этом смысле противоположна механике: отвлекаясь в большипсьве случаев от движения тела как целого, она сосредотачивает внимание на происходящих при взаимодействии изменениях внутреннего состояния тола, сосггояния термодпнамической системы.
Совершая работу над поршнем насоса, мы не сдвигаем велосипед, а повышаем давление и температуру воздуха внутри камеры велосипедного колеса (заодно меняется и масса содержащегося в камере воздуха). Конечно, изменение внутреннего состояния тел может вызвать и механическое движение. Нагревая газ в сосуде под поршнем, мы заставим поршень сдвигаться. Солнечное излучение не приводит непосредственно в движение воздух. Оно нагревает поверхность Земли, от нее нагревается воздух, но именно это вызывает движение воздушных масс: от легкого ветерка до могучих ураганов. Таких примеров можно привести много, и все они показывают, что обмен энергией с другими телами является важнейшей характеристикой взаимодействия системы со средой.
Поэтому изучение термодинамики мы начнем с обзора механизмов передачи энергии и анализа влияния энергообмена на состояние тела. 2.1. Работа, тепло, внутренняя энергия Как известно из механики, чтобы изменить энергию тела, надо совершить над ним работу. Проделаем несложный опыт. Подключим манометр к сосуду, в котором под по1нпнем находится газ (рис.
2.1). Сожмем газ, а затем быстро вернем поршень в исходное положение. Мы увидим, что давление в сосуде выросло. Так как объем принял первоначальное значение, по-видимому, выросла температура газа. Но это означает, что выросла его энергия. Дело в том, что при достаточно быстром перемещении поршня на обРатном ходе газ совеРшает РаботУ меньше той, котоРаЯ была Ри совершена над ним при прямом ходе поршня. Итак, мы совершили процесс, в результате которого объем системы равен первоначальному, а ее энергия увеличилась. Того же результата можно добиться, вообще не совершая работы. Приведем сосуд в соприкосновение с более нагретым телом, например., поместим 206 ГЛ. 2.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНЛЫИКИ его в ванночку с кипятком. Никакой макрвеквпическвй работы не совершается, однако давление при постоянном объеме растет, энергия газа увеличивается. В таком случае говорят,что к системе подвели некоторое количество теплоты (можно также сказать: количество тепла или даже просто некоторое тепло). При теплообмене передача энергии происходит на микроскопическом уровне, при столкновениях молекул. Результат каждого отдельного столкновения предсказать невозможно. Но в среднем, с макроскопической точки зрения, при соударении энергичных молекул нагретой воды со стенками сосуда энергия переходит от воды к сосуду, при столкновениях менее энергичных молекул газа энергия (конечно, тоже только в среднем, только в макроскопическом масштабе) переходит от стенок сосуда к газу.
В результате энергия обязателы1о перетекает от горячей воды к прохладному газу. Очень важным является случай, когда состояние системы не зависит от состояния соседних тел. Мы приводим систему в соприкосновение с телами, явно имеющими разную «степень нагретости» (температуру), а состояние системы не меняется. Тогда говорят, что система помещена в адиаба1пическую оболочку, т. е.
в оболочку, не допускающую теплообмена с окружающей средой (название произошло от греческого слова адгайа1ог непереходимый: энергия не может «переходить» через такую оболочку). Состояние такой системы можно изменить только совершая работу. Практическим примером оболочки, являющейся хорошим приближением к адиабатической., может служить колба бытового термоса — —. так называемый сосуд Дьюара.
У системы, помещешюй в адиабатическую оболочку., появляется интересное свойство: работа при переводе ее из некоторого состояния 1 в определенное конечное состояние 2 не зависит от пути (от способа перевода системы из состояния в состояние). Можно двигигь 1юршень быстрее или медленнее; можно дать газу сильно расшириться, а затем несколько сжать его: можно, наоборот, слегка сжать газ, а потом уже производить расширение. Если система находится в условиях адиабатической изоляции (только в этом случае!), и если исходные и конечные состояния системы во всех процессах одинаковы, суммарная работа будет одна и та же. Предположим теперь., что в результате внепшего воздействия у адиабатически изолированной системы меняются только термодинамические параметры (Р, 1', Т). Система не приходит в движение как целое, не начинает вращаться и т.
и. Не изменилась кинетическая энергия движения системы как целого, ее потенциальная энергия, например, в поле тяжести, в электрическом поле или какая-либо другая макроскопически наблюдаемая энергия. А работа совершена, система получила энергию. Видимо, изменилась некая внутренняя энергетическая характеристика системы. И изменение этой характеристики не зависит (при наличии адиабатической изоляции) от пути перехода системы из одного состояния в другое. Но это означает, что такая характеристика внутренняа энергия системы является функцией свстолн1ш, т.
с. однозначной функцией параметров состояния системы. Если известны объем, давление, температура, однозначно известна внутренняя энергия. Обозначим буквой А работу, совершаемую системой. Работу, совершаемую над системой внешними телами, обозначим той же буквой со штрихом: А'. Очевидно, что А' = — А. Тогда можно записать для изменения внутренней 2.2. ПЕ1 ВОЕ НАЧАЛО ТЕР1[!ОДЕ!НАХ!ИКИ 207 энергии Г Г2 — Г[ = А',„= -А,л.
Еще раз подчеркнем, что изменение энергии равно работе только в случае адиабатической изоляции системы. Обратимся к противоположному случаю: система не совершает работы (в том числе и отрицателю!ой, то есть пе совершается работа над системой). Состояние системы меняется при теплообмене. Если меняется состояние меняется внутренняя энергия.
Изменение энергии мы можем определить, осуществив переход из того же начального состояния в то же конечное в условиях адиабатической изоляции системы. Тогда естественно принять за количество теплоты, полученное системой в процессе, осуществляемом без совершения работы, изменение внутренней энергии системы. Заметим, что теперь у нас появляется возможность ввести понятие температуры, не зависящее ни от какого-либо эмпирического параметра, как это было при введении различных эмпирических температурных шкал, в частности, идеальногазовой температуры, ни от конкретной модели, как мы это делали в случае га>окипетической ге>иперат2 р !. Приведем систему А в контакт с некоторым телом В. Пусть система А не совершает работы. Если ее внутренняя заи'.ргия в результате теплообмена увеличится, то [пермодинамическал температура тела В была выше температуры системы; если внутренняя энергия системы уменьшится, вылив была ее температура.
Если теплообмена не будет (в отсутствие адиабатической изоляции), считаем температуры равными. Введенное таким образом !юнятие температуры будет однозначным только при выполнении условия троизи[и>в»ости равенства температур: если пет теплообмена при контакте тола А как с телом В, так и с телом С, то и при контакте тел В и С не должно быть теплообмена между ними. Опыт показывает, что это условие всегда выполняется. Иными словами: если температуры тел В и С порознь ровни[ гаемпературе тела А, то они равны меэ>еду собой. Пока мы определили термодинамическую температуру только на качественном уровне.
Количественное ее определение требует привлечения основных законов термодинамики так называемых первого и второго начал, к рассмотрению которых мы и переходим. 2.2. Первое начало термодинамики Изменить энергию системы можно двумя принципиально различными способами: а) совершая работу ---. осуществляя изменение макроскопических параметров системы, описываемое динамическими соотношениями; б) подводя к системе тепло -- при этом передача энергии происходит хаотически на микроуровне и подчиняется статистическим закономерностям, однако макроскопический результат всегда однозначно предопределен тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Аддитивность этих двух способов энергообмена — суть первого нача.ла термодинамики: изменение энергии системы г.'[Е равно сумме рабоп[ь[ А', совершенной над системой, и подведенного и ней тепла Я: ЬЕ = Я+ А'. (2.
1) ГЛ. 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 208 В термодинамике, как правило, не представляет интереса кинетическая энергия, связанная с движением системы как целого и т. и. Поэтому почти всегда в формулах фигурирует внутренняя энергия. Если мы еще заменим работу внешних сил работой системы, то получим обычный вид первого начала: (2. 2) ЬГ = г1 — А. Если известны изменения температуры и объема, еще неизвестно, какое было подведено количество теплоты и какая совершена работа. Разные величины мы получим, если в одном процессе сначала изменилась температура, затем объем, а в другом сначала объем, затем температура.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
